1.1 课题背景

本课题研究的是螺旋管式换热器传热性能的数值模拟，螺旋管式换热器是在1895由德国林德公司研发出来，被用作一种空气流化设备投入化工生产。在此基础上，英国的汉普森研发出了蛇形管式的螺旋绕管式换热器^[1]。林德型螺旋绕管式换热器中的换热管是两根蛇形缠绕的同心管。在换热过程中，高压空气（热流体）走内管，而低压空气（冷流体）则从内外管之间的缝隙逆向通过。这种结构虽然保证流体是逆流换热，但由于两流程中存在较多的气流死区影响了换热效果^[2]，从而总的传热效率还是很低。螺旋绕管式换热器研发过程中，在换热管的形式上也推陈出新，已开发出了许多形式各异的新型螺旋绕管式换热器^[3]。如前苏联就开发设计出了变形翅片管螺旋绕管式冷凝蒸发器、非钎焊绕丝翅片管螺旋换热器以及按统计学均等原理制得的螺旋绕管式换热器等。我国的西安交通大学也推出了V形槽螺旋绕管式换热器^[4]。

1.2 螺旋管式换热器的结构

它是把许多传热管卷成同心螺旋状，固定在盖板和壳体底板之间构成的。各传热管的两端分别与一根入口管和一根出口管连接。传热管无间隙地重叠在一起，其上、下端分别与盖板和壳底板固紧^[5]。传热管螺旋间距保持一定，为使壳侧流道保持一定，应在螺旋之间加隔板。传热管可以用碳钢、铜、铜合金、不锈钢、镍、镍合金等材料制成。除光滑管外，还可以用低翅片管作传热管^[6]。壳体采用铸铁、青铜碳钢或不锈钢制造。传热管用焊接、钎焊等方法与入口管和出口管连接。

1.3换热器的传热原理

冷却器的热介质是由筒体上的接管进口，顺序经各折流通道，曲折地流至接管出口，而冷却介质则采用双管程流动，即冷却介质由进水口经分水盖进入一半冷 却管之后，再从回水盖流入另一半冷却管进入另一侧分水盖及出水管。冷介质在双管程流过程中，吸收热介质放出的余热由出水口排出，使工作介质保持额定的工作温度^[7]。

林德型螺旋绕管式换热器中的换热管是两根蛇形缠绕的同心管。在换热过程中，高压空气（热流体）走内管，而低压空气（冷流体）则从内外管之间的缝隙逆向通过^[8]。这种结构虽然保证流体是逆流换热，但由于两流程中存在较多的气流死区影响了换热效果，从而总的传热效率还是很低^[9]。

汉普森螺旋绕管式换热器的制造是先将多根换热管制成盘管，然后将管盘叠落在中心圆管上。管盘中的换热管由内向外呈螺旋缠绕^[10]。在换热过程中，高压的热空气从上向下通过螺旋状的管程，而低压冷空气则由下往上通过壳程，两股气流在纵向是逆向流动，同时两股气流在盘管内横向交叉通过^[11]。这样的流道设计使换热器同时具有了较高的横向流传热系数和良好的逆流换热效果，因此这种换热器也被称为横向逆流换热器^[12]。

1.4 换热器的应用